基于冗余容错的超高速永磁同步电机驱动控制器制造技术

本发明专利技术公开了一种基于冗余容错的超高速永磁同步电机驱动控制器。该控制器包括两套相同的余度驱动单元，每个余度驱动单元包括整流模块、逆变模块、电源模块、霍尔检测模块、保护模块，其中：整流模块将市电三相交流电转换为直流母线电压提供给逆变模块，逆变模块将其转换成三相交流电，为超高速永磁同步电机供电；电源模块为整流模块的驱动芯片和控制系统提供电源；霍尔检测模块包括定子三相电流检测和直流母线电压检测，实现电压和电流信号的采集；保护模块包括电路短路保护模块、过流保护模块、电压保护模块、过热保护模块、制动保护模块。本发明专利技术采用双余度冗余控制，对驱动系统实施了完善的保护措施，具有更宽的调速范围和更高的可靠性。

Superhigh speed permanent magnet synchronous motor drive controller based on redundant fault-tolerant

The invention discloses a super high speed permanent magnet synchronous motor drive controller based on redundant fault-tolerant. The controller consists of two sets of the same redundant drive unit, each redundant drive unit comprises a rectifier module, inverter module, power supply module, Holzer detection module, protection module, including: rectifier module of three-phase alternating current to the DC bus voltage supplied to the inverter module, inverter module converts it to AC the power supply of super high speed permanent magnet synchronous motor; power supply module provides power to drive chip rectifier module and control system; Holzer detection module includes a stator current detecting and DC bus voltage detection, the voltage and current signal acquisition module includes a circuit protection; short circuit protection module, over-current protection module, voltage protection module, overheat protection module brake protection module. The invention adopts redundant control with double redundancy, and implements perfect protection measures for the drive system, which has a wider range of speed regulation and higher reliability.

【技术实现步骤摘要】
基于冗余容错的超高速永磁同步电机驱动控制器
本专利涉及电机
，特别是一种基于冗余容错的超高速永磁同步电机驱动控制器。
技术介绍
随着加工技术的迅速发展，高速、高精度数控机床也得到了快速发展。超高速电机主轴作为高端数控机床的关键功能部件，其性能指标直接决定了高端数控机床的发展水平。高速异步感应电机凭借较为成熟的制造工艺已在各个领域中得到广泛应用，同时相应的驱动控制技术也较为成熟。然而由于异步感应电机采用感应式转子，转矩密度相对较低，转子损耗严重，会在高速状态引起转子产生较大的热量，并且存在电机运行效率低、功率密度低、动态响应慢、稳速困难等问题，因此多用在转速低于20000r/min的应用场合。随着永磁材料的发展，以及电机制造工艺的进一步改善，永磁同步电机已由中低速领域逐渐发展到了高速领域。但目前永磁同步电机由于驱动控制技术的限制大都应用与于中高速场合，无法满足超高速数控机床的要求。与此同时，目前使用较多的单一驱动控制系统在个别部件出现故障时，很容易导致整个系统失控，严重影响加工精度与加工进度。
技术实现思路
本专利的目的在于提供一种高精度、高可靠性的基于冗余容错的超高速永磁同步电机驱动控制器，使得超高速永磁同步电机能够稳定可靠运行。实现本专利技术目的的技术解决方案为：一种基于冗余容错的超高速永磁同步电机驱动控制器，包括两套相同的余度驱动单元，每个余度驱动单元包括整流模块、逆变模块、电源模块、霍尔检测模块、保护模块，其中：整流模块将市电三相交流电转换为直流电，直流电经过母线电容稳压后得到的直流母线电压提供给逆变模块；逆变模块将直流电转换成频率可调的三相交流电，为超高速永磁同步电机供电，驱动超高速永磁同步电机运转；电源模块将整流模块输出的直流母线电压转换为24V电压，为整流模块的驱动芯片和控制系统提供电源；霍尔检测模块包括定子三相电流检测和直流母线电压检测，电压电流信号经过霍尔检测模块得到电压电流模拟量数值并输出至AD采样模块供控制系统采样和读取，实现超高速永磁同步电机供电系统的电压和电流信号的采集；保护模块包括电路短路保护模块、过流保护模块、电压保护模块、过热保护模块、制动保护模块；所述两套余度驱动单元的判错处理与互锁机制如下：当出现以下四种情况中任意一种，相应模块则输出故障信号至控制系统：驱动系统中过流保护模块的霍尔电流传感器检测出电机定子三相电流超过工作允许值；电压保护模块中霍尔电压传感器检测出的直流母线电压与标称电压相比为过压或欠压；过流保护模块中IGBT器件的驱动芯片检测到IGBT集电极和发射极两端的电压持续过大；过热保护模块检测出整流模块、逆变模块或电机定子温度超过设定值；控制系统接收到故障信号，处理器立即输出封锁PWM的控制信号至该余度驱动单元，关闭当前控制单元，启用另一控制单元及配套的余度驱动单元。进一步地，所述整流模块的输入端设有高压陶瓷电容，用于滤除高频干扰得到三相交流电，三相交流电经过整流芯片得到直流母线电压，最后通过电解电容的稳压和滤波得到最终的直流母线电压；采用压敏电阻在三相输入电压过高时导通大电流，采用均压电阻使电解电容两端电压均等，同时使用无感电容吸收母线电容产生的过高脉冲电流。进一步地，所述逆变模块采用以IGBT作为开关器件的三相全桥逆变电路，整流模块的直流母线电压输出至逆变模块为其供电，由驱动隔离模块输入的PWM信号经过IGBT驱动芯片分别将正负信号转换为+15V和-9V，对IGBT器件进行正打开和负关断，将直流母线电压逆变成三相交流电压，为超高速永磁同步电机供电。进一步地，所述电路短路保护模块在市电三相交流输入时接入50A的空气断路器，在系统发生短路故障电流超过50A时断路器立即切断电源。进一步地，所述过流保护模块包括软件保护和硬件保护：软件保护使用控制系统的DSP模块通过霍尔电流传感器对电机定子三相电流进行检测，当其超过工作允许值时，发出过流故障报警信号并封锁本通道PWM信号的输出，切断超高速永磁同步电机的供电；硬件保护通过IGBT器件的驱动芯片检测IGBT集电极和发射极两端的电压，当驱动系统发生短路导致驱动芯片通过大于阈值电流且持续时间大于3us时，驱动芯片通过软关断引脚对IGBT执行软关断，将故障报警引脚变为低电平进行报警，并反馈到主控制系统。进一步地，所述电压保护模块采用霍尔电压传感器对直流母线电压进行AD采样检测，将检测到的电压信号送入比较器判断驱动系统是否出现过压或者欠压；当直流母线电压超过标称电压的1.1倍或低于标称电压的0.85倍时，比较器输出过压或欠压故障信号至控制系统，控制系统捕获到该信号开始计时，如果发生过压故障时间超过3s，则控制系统判断驱动系统发生了过压故障，同时封锁本通道PWM脉冲的输出。进一步地，所述过热保护模块对整流模块和逆变模块以及超高速永磁同步电机定子进行温度检测、监控；将温度检测元件安装在散热器上，用于检测散热模块中散热器的温度，当温度传感器检测到散热器温度高于设定的临界温度时，输出高电平信号至风扇驱动电路，风扇回路导通，启用风扇加速散热器散热；若逆变模块的IGBT器件或者超高速电机发生过热现象则主控制系统封锁PWM信号输出。进一步地，所述制动保护模块用于超高速永磁同步电机的减速制动；在减速制动的过程中，整流模块输出的直流母线电压升高，通过增加制动电阻，设定制动电阻的参数并配置驱动系统泄放直流母线泵升电压。进一步地，两套余度驱动单元中，逆变模块驱动芯片的IGBT门极输入口增加与非门芯片进行逻辑处理，使得当一套控制单元运行时，另一控制单元关断。本专利技术与现有技术相比，其显著优点是：(1)采用双余度冗余控制，使用单独每一通道控制单元时电机转速达到20000r/min；(2)对驱动系统实施了短路保护、过流保护、电压保护、过热保护、制动保护等完善的保护措施并且进行两套驱动单元互锁设计；(3)当某一套驱动单元发生故障时可即时输出故障信号至控制系统并稳定切换到另一套驱动单元运行，具有更宽的调速范围和更高的可靠性。附图说明图1为本专利技术基于冗余容错的超高速永磁同步电机系统硬件结构图。图2为基于冗余容错的超高速永磁同步电机驱动控制器系统硬件电路结构图具体实施方式结合图1～2，本专利技术基于冗余容错的超高速永磁同步电机驱动控制器，包括两套相同的余度驱动单元，每个余度驱动单元包括整流模块1、逆变模块2、电源模块3、霍尔检测模块4、保护模块5，其中：整流模块1将市电三相交流电转换为直流电，直流电经过母线电容稳压后得到的直流母线电压提供给逆变模块2；逆变模块2将直流电转换成频率可调的三相交流电，为超高速永磁同步电机供电，驱动超高速永磁同步电机运转；电源模块3将整流模块1输出的直流母线电压转换为24V电压，为整流模块1的驱动芯片和控制系统提供电源；霍尔检测模块4包括定子三相电流检测和直流母线电压检测，电压电流信号经过霍尔检测模块4得到电压电流模拟量数值并输出至AD采样模块供控制系统采样和读取，实现超高速永磁同步电机供电系统的电压和电流信号的采集；保护模块5包括电路短路保护模块5-1、过流保护模块5-2、电压保护模块5-3、过热保护模块5-4、制动保护模块5-5；所述两套余度驱动单元的判错处理与互锁机制如下：当出现以下四种情况中任意一种，相应模块则输出故障信本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于冗余容错的超高速永磁同步电机驱动控制器，其特征在于，包括两套相同的余度驱动单元，每个余度驱动单元包括整流模块(1)、逆变模块(2)、电源模块(3)、霍尔检测模块(4)、保护模块(5)，其中：整流模块(1)将市电三相交流电转换为直流电，直流电经过母线电容稳压后得到的直流母线电压提供给逆变模块(2)；逆变模块(2)将直流电转换成频率可调的三相交流电，为超高速永磁同步电机供电，驱动超高速永磁同步电机运转；电源模块(3)将整流模块(1)输出的直流母线电压转换为24V电压，为整流模块(1)的驱动芯片和控制系统提供电源；霍尔检测模块(4)包括定子三相电流检测和直流母线电压检测，电压电流信号经过霍尔检测模块(4)得到电压电流模拟量数值并输出至AD采样模块供控制系统采样和读取，实现超高速永磁同步电机供电系统的电压和电流信号的采集；保护模块(5)包括电路短路保护模块(5‑1)、过流保护模块(5‑2)、电压保护模块(5‑3)、过热保护模块(5‑4)、制动保护模块(5‑5)；所述两套余度驱动单元的判错处理与互锁机制如下：当出现以下四种情况中任意一种，相应模块则输出故障信号至控制系统：驱动系统中过流保护模块(5‑2)的霍尔电流传感器检测出电机定子三相电流超过工作允许值；电压保护模块(5‑3)中霍尔电压传感器检测出的直流母线电压与标称电压相比为过压或欠压；过流保护模块(5‑2)中IGBT器件的驱动芯片检测到IGBT集电极和发射极两端的电压持续过大；过热保护模块(5‑4)检测出整流模块(1)、逆变模块(2)或电机定子温度超过设定值；控制系统接收到故障信号，处理器立即输出封锁PWM的控制信号至该余度驱动单元，关闭当前控制单元，启用另一控制单元及配套的余度驱动单元。...

【技术特征摘要】
1.一种基于冗余容错的超高速永磁同步电机驱动控制器，其特征在于，包括两套相同的余度驱动单元，每个余度驱动单元包括整流模块(1)、逆变模块(2)、电源模块(3)、霍尔检测模块(4)、保护模块(5)，其中：整流模块(1)将市电三相交流电转换为直流电，直流电经过母线电容稳压后得到的直流母线电压提供给逆变模块(2)；逆变模块(2)将直流电转换成频率可调的三相交流电，为超高速永磁同步电机供电，驱动超高速永磁同步电机运转；电源模块(3)将整流模块(1)输出的直流母线电压转换为24V电压，为整流模块(1)的驱动芯片和控制系统提供电源；霍尔检测模块(4)包括定子三相电流检测和直流母线电压检测，电压电流信号经过霍尔检测模块(4)得到电压电流模拟量数值并输出至AD采样模块供控制系统采样和读取，实现超高速永磁同步电机供电系统的电压和电流信号的采集；保护模块(5)包括电路短路保护模块(5-1)、过流保护模块(5-2)、电压保护模块(5-3)、过热保护模块(5-4)、制动保护模块(5-5)；所述两套余度驱动单元的判错处理与互锁机制如下：当出现以下四种情况中任意一种，相应模块则输出故障信号至控制系统：驱动系统中过流保护模块(5-2)的霍尔电流传感器检测出电机定子三相电流超过工作允许值；电压保护模块(5-3)中霍尔电压传感器检测出的直流母线电压与标称电压相比为过压或欠压；过流保护模块(5-2)中IGBT器件的驱动芯片检测到IGBT集电极和发射极两端的电压持续过大；过热保护模块(5-4)检测出整流模块(1)、逆变模块(2)或电机定子温度超过设定值；控制系统接收到故障信号，处理器立即输出封锁PWM的控制信号至该余度驱动单元，关闭当前控制单元，启用另一控制单元及配套的余度驱动单元。2.根据权利要求1所述的基于冗余容错的超高速永磁同步电机驱动控制器，其特征在于，所述整流模块(1)的输入端设有高压陶瓷电容，用于滤除高频干扰得到三相交流电，三相交流电经过整流芯片得到直流母线电压，最后通过电解电容的稳压和滤波得到最终的直流母线电压；采用压敏电阻在三相输入电压过高时导通大电流，采用均压电阻使电解电容两端电压均等，同时使用无感电容吸收母线电容产生的过高脉冲电流。3.根据权利要求1所述的基于冗余容错的超高速永磁同步电机驱动控制器，其特征在于，所述逆变模块(2)采用以IGBT作为开关器件的三相全桥逆变电路，整流模块(1)的直流母线电压输出至逆变模块(2)为其供电，由驱动隔离模块输入的PWM信号经过IGBT驱动芯片分别将正负信号转换为+15V和-9V，对IGBT器件进行正打开和负关断，将直流母线电压逆变...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴益飞，林立斌，郭健，黄迪，沈宏丽，周梦兰，洪宇，王天野，薛舒严，钱抒婷，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32